Азотное загрязнение биосферы способствует росту лесов

Фото из статьи Peter Högberg Environmental science: (Nitrogen impacts on forest carbon // Nature. 2007. V. 447. P. 781-782), сопровождающей публикацию обсуждаемой работы. Фото с сайта botanica/photolibrary.com

Соединения азота, поступающие в большом количестве в атмосферу с выбросами промышленных предприятий и транспорта, в конце концов выпадают с осадками на землю, причём в форме, пригодной для использования растениями. Сказывается ли этот процесс на скорости роста лесов? На этот вопрос получен утвердительный ответ. Исследователи, специально изучившие баланс углерода на нескольких лесных участках в Западной Европе, показали, что чем больше азота попадает в лес с осадками, тем выше чистая первичная продукция данной экосистемы и тем больше она может связать углекислого газа.

Схема расположения бореальных лесов в Евразии и Северной Америке С сайта eobglossary.gsfc.nasa.gov

Таёжные и смешанные леса занимают в северном полушарии огромную площадь — около 2•10⁷ км². Они являются важным местом связывания («стоком», как говорят специалисты) углекислого газа, фиксируя за год около 600–700 миллионов тонн углерода. Значительная часть этих лесов находится сейчас под влиянием хозяйственной деятельности человека, включающей не только вырубку древесины и лесопосадки, но и неожиданным образом — удобрение азотом за счет загрязнения продуктами сжигания ископаемого топлива.

Бореальные леса, Канада, провинция Альберта. Фотография с сайта www.paradisebirding.com

Хотя азота в воздухе более чем достаточно, он находится там в молекулярной форме, недоступной для использования растениями. Первоначально такой азот должен быть усвоен особыми азотфиксирующими бактериями (например, теми, что живут в клубеньках на корнях бобовых), которые способны разорвать прочную тройную связь в молекуле N₂. К процессу естественной азотфиксации в ХХ веке прибавилась искусственная, когда после открытия в 1910 г. Ф. Габером способа получения аммиачной селитры из азота воздуха началось промышленное производство минеральных удобрений. К концу того же столетия количество азота, связываемого ежегодно промышленным способом, уже превышало то, что фиксируется бактериями. Часть азотных удобрений, вносимых на сельскохозяйственные земли, всегда попадала на участки, занятые природной растительностью.

Однако ещё более крупномасштабное непреднамеренное удобрение природных экосистем азотом стало результатом выбрасывания в атмосферу большого количества оксидов этого элемента, образующихся прежде всего как результат сжигания ископаемого топлива (угля, бензина). Ведь такое сжигание происходит не в среде чистого кислорода, а в воздухе, состоящем на 80% из азота. При высокой температуре часть молекул N₂ распадается на атомы, которые взаимодействуют с кислородом и водой, образуя азотную кислоту — важный компонент так называемых «кислотных дождей». Кроме того, оксиды азота образуются и за счет азота, нередко присутствующего в качестве примесей в ископаемом топливе. Так или иначе, но во всех районах, подверженных выбросам промышленных предприятий и транспорта, происходит выпадение с осадками азота в форме нитрата NO₃^— — иными словами, в форме, доступной для усвоения растениями. А поскольку «насыщения азотом» пока не достигнуто, т. е. азота в большинстве случаев растениям не хватает, то неудивительно, что растения отвечают на такое «удобрение» более интенсивным ростом, большей величиной первичной продукции и дополнительным связыванием углекислого газа.

Дубовый лес в Италии. Основная лесообразующая порода — турецкий дуб Quercus cerris. В отличие от других обследованных лесов этот испытывает сильную нехватку влаги. Снимок с сайта www.strettoweb.it

Для того, чтобы разобраться в том, насколько велики масштабы этого процесса, специальное исследование предприняли недавно Федерико Маньяни (Federico Magnani) с кафедры плодовых деревьев и леса Болонского университета (Болонья, Италия) и его коллеги из других научных учреждений Италии, а также Франции, Швеции, Финляндии, Великобритании, Канады и США (всего 21 автор!). Основной материал был получен в пяти разных лесах Западной Европы (Швеция, Финляндия, Англия, Франция и Италия) в рамках международного проекта CARBOEUROPE. Во всех случаях лесообразующие породы были хвойные, за исключением Италии, где исследовался дубовый лес (доминирующая порода — Quercus cerris). Кроме того привлечены данные и по другим лесонасаждениям (всего 20 точек). Анализ полученных данных показал, что бóльшая часть дисперсии (вариабельности) чистой первичной продукции (т. е. разницы продукции всей растительности и суммарного дыхания всех организмов, прежде всего грибов и бактерий, осуществляющих разложение растительного опада) в рассмотренной совокупности лесных экосистем объясняется возрастом деревьев на том или ином конкретном участке. В молодых лесах продукция всегда превышает дыхание, но в зрелых она уравновешивается дыханием, так что чистая продукция равна нулю. После того как лес сводится человеком или гибнет вследствие каких-либо естественных причин, чистая первичная продукция становится отрицательной (выделяется СО₂ в результате дыхания почвенных организмов больше, чем поглощается немногочисленными оставшимися растениями).

Зависимость (a) чистой первичной продукции экосистемы (NEP) и (b) валовой первичной продукции (GPP) от возраста леса (годы, по горизонтали). Обе величины выражены в тоннах углерода на гектар за год. Отдельными линиями показаны разные леса в сев-зап. Англии, в южн. Швеции, в центр. Франции и в Италии. Видно, что везде первичная продукция по мере роста леса увеличивается, а затем стабилизируется. Чистая первичная продукция со временем становится равной нулю — иными словами весь фиксированный в ходе фотосинтеза углерод возвращается в атмосферу в результате дыхания всех организмов экосистемы. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Для того чтобы избавиться от влияния возраста, которое невольно маскирует возможное воздействие других факторов, исследователи для каждого места брали средние данные по чистой первичной продукции за весь цикл развития леса — от молодого до старого. Сопоставление этих величин с опубликованными ранее данными по выпадению азота с атмосферными осадками выявило между ними сильную положительную корреляцию. Чем больше на лес попадает азота (а в обследованных местах доходило до 15 кг азота на гектар в год), тем выше была величина чистой первичной продукции. Очевидно, что все обследованные леса испытывают в той или иной мере нехватку азота. Судя по литературным данным «насыщение» лесов азотом должно происходить при более серьезных «нагрузках», попадании 50–60 кг азота на гектар. Но при этом наблюдается уже сильное закисление почв, неблагоприятное для растительности.

Зависимость чистой первичной продукции лесной экосистемы (по ординате в тоннах углерода на гектар за год) от количества азотных «удобрений», попадающих на землю с осадками (по абсциссе в кг азота на гектар за год). Разные точки с номерами — разные лесонасаждения Евразии и Северной Америки. Показано как с увеличением попадающего с осадками азота растет первичная продукция. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Из приведенного материала, конечно, не следует делать вывод, что загрязнение атмосферы и кислотные дожди (содержащие ион нитрата) есть некое благо. Но старая народная мудрость относительно того, что «нет худа без добра», подтверждается.

Источник: Federico Magnani, Maurizio Mencuccini, Marco Borghetti, Paul Berbigier, Frank Berninger, Sylvain Delzon, Achim Grelle, Pertti Hari, Paul G. Jarvis, Pasi Kolari, Andrew S. Kowalski, Harry Lankreijer, Beverly E. Law, Anders Lindroth, Denis Loustau, Giovanni Manca, John B. Moncrieff, Mark Rayment, Vanessa Tedeschi, Riccardo Valentini & John Grace The human footprint in the carbon cycle of temperate and boreal forests // Nature. 2007. V. 447. P. 849-851

См. также:
1) Peter Högberg, Houbao Fan, Maud Quist, Dan Binkley and Carl Olof Tamm Tree growth and soil acidification in response to 30 years of experimental nitrogen loading on boreal forest // Global Change Biology. 2006. V. 12. P. 489–499.
2) Круговорот азота в природе «Элементы», Энциклопедия
3) Азот в океане связывается там, где он теряется «Элементы», 6.02.2007.
4) Углерод, изъятый из атмосферы, можно хранить в почве «Элементы», 28.05.2007.
5) Рост концентрации CO₂ в атмосфере не слишком повысит урожайность зерновых «Элементы», 5.07.2006.
6) От глобального потепления спасет закопаемое топливо, «Элементы», 14.03.2007.

Алексей Гиляров

Последние новости: Экология, Алексей Гиляров

9 февраля Колонии муравьев, состоящие из особей с разным типом поведения, оказываются более успешными

2 февраля Флора тропических лесов — против гипотезы нейтральности

27 января Изменение ветров, дующих над Южным океаном, пошло на пользу альбатросам

11 января Для фитопланктона не действует закон Кляйбера

28 декабря Одну треть рыбных запасов оставить птицам — новый закон в экологии

21 декабря Стойкость органического вещества почвы объясняется не столько его строением, сколько условиями, в которых оно пребывает

16 декабря «Живые ископаемые» саговники оказались вовсе не такими старыми

9 декабря Посткопуляционные, презиготические барьеры мешают близкородственным видам сверчков скрещиваться

30 ноября Рис и рыба: что обеспечивает успешность комплексных рисоводческих агроценозов?

22 ноября Рост численности людей на Земле регулировался как положительными, так и отрицательными обратными связями

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):